JP6997588B2

JP6997588B2 - ダイポールアンテナ

Info

Publication number: JP6997588B2
Application number: JP2017205493A
Authority: JP
Inventors: 拓也山下
Original assignee: Nissei Electric Co Ltd
Current assignee: Nissei Electric Co Ltd
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: JP2019080161A

Description

本発明は、無線通信によって電子機器間で情報を送受信する電子機器に使用されるアンテナであって、特に複数の周波数帯域で動作するダイポールアンテナに関するものである。

ビーコンや無線通信機能を有するデータロガーなど、無線通信によって電子機器間で情報を送受信する電子機器が公知である。このような電子機器は、例えば、温度、湿度、姿勢などを検出する各種センサ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格等に準拠する無線通信回路などを備え、時には、無線通信を利用して電子機器の位置を特定するといった使い方もなされる。
加えて、近年はＩｏＴ（ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ）やＩｏＥ（ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＥｖｅｒｙｔｈｉｎｇ）といった考え方が注目を集めており、上記のような無線通信機能を有する電子機器の需要が高まりつつある。

上記のような無線通信機能を有する電子機器に対する要求としては、安定した通信特性に加え、小型化、薄型化、軽量化などが存在し、これらの要求は電子機器に使用されるアンテナにも存在する。

このようなアンテナの小型化、薄型化に寄与する従来技術の一例として、プリント回路基板にプリント配線パターンでアンテナを構成する技術が存在する。（例えば特許文献１を参照）。当該従来技術によれば、無線通信の電波を送受信するアンテナをプリント回路基板にプリント配線パターンで構成することによって、無線通信機能を有する小型の電子機器のさらなる小型化、薄型化が可能になる。

加えて、１つのアンテナで無線ＬＡＮ、無線ＷＡＮ、ＷｉＭＡＸ（登録商標）、ＬＴＥなどに代表される種々の無線通信システムに対応したいという要求も存在するため、これに対応して種々の多周波アンテナが提案されている。

一般的にアンテナを多周波に対応させるには、アンテナ内に所望する周波数帯域に対応するアンテナ素子を設けることで多周波に対応させるが、アンテナ素子の追加はアンテナの大型化に繋がるため、小型化の要求に相反することになる。

ダイポールアンテナを多周波に対応させるには、特許文献１、２に記載に記載されたように、アンテナ素子を分岐させることで複数の周波数に対応させる設計がとられているが、アンテナの大型化に繋がってしまい、小型化の要求に十分に応えられない場合も存在する。

特開２００９－４４２０７号公報特開２０１１－１００１７号公報

本発明の課題は、アンテナの大型化を最小限に抑えつつ、複数の周波数帯域に対応するダイポールアンテナを提供することにある。

本発明者は、アンテナの大きさと特性に留意しつつ、アンテナ素子の配置方法を鋭意検討した結果、２つのアンテナ素子を有するダイポールアンテナにおいて、対向する２つのアンテナ素子間の間隙を変化させることで、アンテナを大型化することなく、複数の周波数帯域に対応するダイポールアンテナを実現した。

本発明のアンテナでは、以下の効果が期待できる。

・アンテナ素子の面積の増加を最小限に抑えつつ、アンテナの多周波化が可能であるためアンテナの小型化に寄与する。

・以上の効果の結果として、各種の電子機器に対して幅広く、好適に採用できる。

本発明の基本的構造である。本発明の基本的構造の変形例である。本発明の基本的構造の他の変形例である。本発明において、延出部の側辺を第２素子に対向させた場合の一例である。本発明において、延出部の側辺を第２素子に対向させた場合の他の例である。実施例のアンテナのＶＳＷＲである。比較例のアンテナのＶＳＷＲである。

以下、図１を参照しながら、本発明について説明する。

図１において、１は第１素子、２は第２素子、Ｅ１１は第１素子の第１部分、Ｅ１２は第１素子の第２部分、Ｅ２は第２素子の１辺、Ｐは給電点である。
本発明において特徴的なことは、第１素子１は、視覚的に区別可能な第１部分Ｅ１１、第２部分Ｅ１２を少なくとも有し、この第１部分Ｅ１１、第２部分Ｅ１２は第２素子２の辺Ｅ２に対向しているとともに、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２とがなす間隙の距離に、第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２とがなす間隙の距離と異なる部分が存在することである。

このような、互いに対向する第１素子１と第２素子２との間の距離が場所によって変化する構成を採用することで、ダイポールアンテナが対応する周波数帯域を増やすことができ、アンテナの多周波化に寄与する。

アンテナに給電した周波数の電流に加えて、その周波数の３倍の周波数を有する電流、いわゆる第３高調波がアンテナ内に発生する現象が知られている。本発明はこの第３高調波を利用して、アンテナの多周波化を行う。

本発明は、図１に示したように、第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２とがなす間隙の距離と、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２とがなす間隙の距離を変化させることで、第１素子１と第２素子２間で発生する容量結合の状態が変化する。容量結合の状態を変化させることで、アンテナ内に発生する第３高調波の発生状態が変化する。すなわち、本発明は、アンテナ内に発生する第３高調波を意識的に制御し、第３高調波を所望する周波数帯域に調整することで、アンテナが対応する周波数帯域を増やすことができる。

本発明は、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２とがなす間隙の距離が、第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２とがなす間隙の距離と異なる部分が存在するよう構成するために、アンテナ素子の形状を変更する必要があるが、所望する周波数帯域に対応するアンテナ素子を追加するまでの変更には至らないため、アンテナ素子の面積の増加を最小限に抑えつつ、アンテナの多周波化が可能である。結果として、アンテナの小型化に寄与する。

第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２とがなす間隙の距離と、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２とがなす間隙の距離を変化させた構成として、基本的な構成は図１である。図１では第１素子１の本体部１Ａから延出部１Ｂを延出させ、その先端部を第２素子２の辺Ｅ２に対向させた場合である。すなわち、延出部１Ｂの先端部を第２部分Ｅ１２とした場合である。

図１の構成は、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２が特に近接して対向しているため、対向部に強い容量結合が発生する。この容量結合を利用することで、所望する周波数帯域への第３高調波の調整が行える。

図１を変形させた態様として図２が挙げられる。図２の態様は、第２部分Ｅ１２から第１部分Ｅ１１にかけて、傾斜した辺を有する延出部１Ｂを設けたものである。
延出部１Ｂの傾斜した辺の部分においては、第１素子１と第２素子２とが対向してなす間隙の距離が連続的に変化するため、この部分において容量結合の変化が発生し、この容量結合の変化を利用することで、所望する周波数帯域への第３高調波の調整が行える。

図１を変形させた他の態様として図３が挙げられる。図２の態様は、第１素子１の本体部１Ａから延出部１Ｂを延出させ、その先端部を第２素子２の辺Ｅ２に対向させると共に、第２素子２にも延出部２Ｂを設けて第１部分Ｅ１１に対向させた場合である。
第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２が近接して対向する部分、第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２が対向する部分、第１部分Ｅ１１と第２素子２の延出部２Ｂが対向する部分と、第１素子１と第２素子２が対向する間隙の距離が変化する３種の領域が存在し、これらの領域で変化する容量結合を利用することで、所望する周波数帯域への第３高調波の調整が行える。

本発明において給電点Ｐは、アンテナが意図した特性で動作するよう、適宜位置を調整してアンテナ中に設けられる。

本発明において給電点Ｐは、給電用同軸ケーブルの内部導体と外部導体を、第１素子１、第２素子２にそれぞれハンダ付で固定する、給電用回路を接続するといった形で設けられる。
給電用同軸ケーブルとしては、周知のフッ素樹脂被覆等の高周波同軸ケーブルが好適に利用できる。

本発明においては、延出部１Ｂの側辺も第２素子２に対向するよう、本体部１Ａから延出するよう構成するのが好ましい。
この構成を採用することで、延出部１Ｂの側辺と第２素子２との間でも容量結合が発生し、所望する周波数帯域への第３高調波の調整がより精度よく行える。

延出部１Ｂの側辺を第２素子２に対向させた態様の一例として、図４を示す。図４では、延出部１Ｂの先端部と側辺が共に第２素子２に対向するよう、第２素子２から延出する素子を設け、その先端部に給電点Ｐを設けて給電素子２Ｃとしている。すなわち、第２部分Ｅ１２を辺Ｅ２、延出部１Ｂの側辺を第２素子２中の給電素子２Ｃに、それぞれ対向させている。

第１素子１、第２素子２の具体的形状は、第１部分Ｅ１１と第２部分Ｅ１２が第２素子２の辺Ｅ２に対向し、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２とがなす間隙の距離に、第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２とがなす間隙の距離と異なる部分が存在する限り、特定の形状に制限されず、所望するアンテナの特性に合わせて適宜変形して良く、例えば、図５に示したような、第１素子１の先端が先細り形状となっている形状などを使用することができる。

第２部分Ｅ１２を辺Ｅ２に対向させる関係から、第１素子１は辺Ｅ２側が幅広になっている形状が好ましく、例えば、図５に示したような形状のものが特に好ましく使用できる。

加えて本発明においては、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２とがなす間隙の距離に、第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２とがなす間隙の距離と異なる部分が存在するよう構成する関係から、第１素子１が有する辺の長さの和である第１の周長と、第２素子２が有する辺の長さの和である第２の周長とが異なる構成となることが多い。
第１周長と第２周長とが異なる場合は、第１の周長と第２の周長の平均値を、アンテナが対応する周波数帯域のうち、低周波側の周波数帯域に属する帯域の周波数信号の波長に略等しくするよう、アンテナを構成するのが好ましい。

このようにアンテナを構成することで、低周波側の通信特性が充分に確保され、これに付随して高周波側の通信特性も安定して得られる。

本発明のアンテナの実施例の１つとして、図５に示したアンテナについて述べる。

１．アンテナの仕様

２．５ＧＨｚ帯域と、５ＧＨｚ帯域に対応する、２周波対応ダイポールアンテナを作製する。

２．アンテナの構成

幅１４ｍｍ×長さ４６ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのガラスエポキシ基板に、銅箔によって図１に示した導電パターンを形成する。

３．第１素子の構成

第１素子１は本体部１Ａと延出部１Ｂとで構成し、延出部１Ｂの先端部を第２部分Ｅ１２として、第１部分Ｅ１１と視覚的に区別した。各部の寸法、形状は以下の通りである。この寸法、形状の場合、第１の周長は約５７．８ｍｍとなる。

本体部１Ａ：幅１２ｍｍ×長さ５ｍｍの長方形と、上底３．２ｍｍ、下底１２ｍｍ、高さ１１ｍｍの台形を組み合わせた六角形状。

延出部１Ｂ：幅４ｍｍ×長さ４．５ｍｍの矩形状で、本体部１Ａの幅方向上部から延出。

４．第２素子の構成

第２素子２は本体部２Ａと給電素子２Ｃとで構成される。各部の寸法、形状は以下の通りである。この寸法、形状の場合、第２の周長は７８ｍｍとなる。

本体部２Ａ：幅１２ｍｍ×長さ２１ｍｍの矩形状

給電素子２Ｃ：幅２ｍｍ×長さ６ｍｍの矩形状で、本体部２Ａの幅方向中心から延出。

５．第１素子と第２素子の位置関係

給電素子２Ｃの先端部の辺と、第１部分Ｅ１１との間隔を１ｍｍに設定した。この結果、第２部分Ｅ１２と辺Ｅ２との間隔は２．５ｍｍ、第１部分Ｅ１１と辺Ｅ２との間隔は７ｍｍとなり、第１部分Ｅ１１と第２素子２の辺Ｅ２とがなす間隙の距離と、第２部分Ｅ１２と第２素子２の辺Ｅ２とがなす間隙の距離と異なる部分が存在することになる。

また、延出部１Ｂの側辺と、給電素子２Ｃの側辺との間隔は１ｍｍに設定した。

６．アンテナの組み立て

先端部が段剥ぎされ、反対側には接続する電子機器に対応する周知の同軸ケーブル用コネクタが設けられた給電用同軸ケーブルを用意し、外部導体を給電素子２Ｃ、内部導体を第１素子１の給電素子２Ｃに対向する部分に、それぞれ半田付けしアンテナを完成させた。

使用した給電用同軸ケーブルの仕様は以下の通りである。

・内部導体の外径：０．１５ｍｍ
・フッ素樹脂（ＰＦＡ）製絶縁体の外径：０．４ｍｍ
・外部導体の外径：０．６５ｍｍ
・フッ素樹脂（ＰＦＡ）製外被の外径０．８ｍｍ

７．比較例

比較例として実施例のアンテナから、延出部１Ｂを削除することで第１素子１の辺Ｅ１から第２部分Ｅ１２を無くし、第１素子１の辺Ｅ１と第２素子２の辺Ｅ２との距離が一定のダイポールアンテナを作製した。

８．アンテナの特性

図６は実施例のアンテナのＶＳＷＲ、図７は比較例のアンテナのＶＳＷＲである。ＶＳＷＲのピーク（値が小さい領域）がアンテナが対応する周波数帯域である。
比較例のアンテナは２．２～２．５ＧＨｚ付近と、この周波数を有する電流の第３高調波に由来する５．４～６．３ＧＨｚ付近にＶＳＷＲのピークが観察され、２．５ＧＨｚ帯域では充分な通信特性を有するが、５ＧＨｚ帯域での通信特性は不充分なアンテナとなった。

実施例のアンテナは２．２～２．５ＧＨｚ付近と、この周波数を有する電流の第３高調波に由来する４．３～５．７ＧＨｚ付近にＶＳＷＲのピークが観察され、２．５ＧＨｚ帯域、５ＧＨｚ帯域でともに充分な通信特性を有する２周波対応アンテナとなった。
比較例のアンテナと比べると、第３高調波によるピークが低周波側に移動し、第１部分Ｅ１１と第２素子２の辺Ｅ２とがなす間隙の距離と、第２部分Ｅ１２と第２素子２の辺Ｅ２とがなす間隙の距離と異なる部分が存在することによる、第３高調波の変動効果が得られていることが確認できる。

実施例のアンテナの第１周長と第２周長の和の平均値は６７．９ｍｍであり、この波長を有する高周波信号の周波数は約２．２ＧＨｚである。この周波数は実施例のアンテナが対応する周波数帯域に属する。

以上、２．５ＧＨｚ帯域と５ＧＨｚ帯域に対応するアンテナについて説明したが、これは本発明の一例に過ぎず、本発明の思想の範囲内であれば、他の帯域に対応するアンテナにも適用できることは言うまでもない。

本発明のアンテナは、ビーコンや無線通信機能を有するデータロガーなど、無線通信によって電子機器間で情報を送受信する電子機器や、ノートパソコン、スマートフォン、タブレット端末に代表される、無線通信機能を有する小型携帯機器、通信機能を有した情報家電、更には自動車関連機器へも好適に利用できる。

１第１素子
１Ａ本体部
１Ｂ延出部
Ｅ１１第１素子の第１部分
Ｅ１２第１素子の第２部分
２第２素子
２Ａ本体部
２Ｂ延出部
２Ｃ給電素子
Ｅ２第２素子の１辺
Ｐ給電点

Claims

プリント回路基板上に設けられ、該プリント回路基板の長手方向に沿って隣り合うよう形成された平面状かつ多角形状の第１素子と平面状かつ多角形状の第２素子を有するダイポールアンテナにおいて、
該第１素子と該第２素子とが隣り合う領域において、該第１素子と該第２素子とが近接して対向する領域が形成され、
該第１素子と該第２素子が対向する領域には、該第１素子の本体部から該第２素子の本体部に向かって延出する延出部が形成されることで、該第１素子の本体部と該第２素子の本体部とがなす間隙と、該間隙の距離よりも短い距離となっている該延出部の先端部と該第２素子の本体部とがなす間隙とが存在し、
該第１素子が有する辺の長さの和である第１の周長と、該第２素子が有する辺の長さの和である第２の周長とが異なっているとともに、該第１の周長と該第２の周長の平均値は、該ダイポールアンテナが対応する周波数帯域のうち、低周波側の周波数帯域に属する帯域の周波数信号の波長に略等しいことを特徴とする、ダイポールアンテナ。
該第２素子の本体部から該第１素子の本体部に向かって延出する延出部も形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
該第１素子に形成された延出部の側辺が、該第２素子に形成された延出部の側辺に対向していることを特徴とする、請求項２に記載のダイポールアンテナ。
該第２素子に形成された延出部が、該第２素子中に設けられた給電素子であることを特徴とする、請求項２または３に記載のダイポールアンテナ。